基于AT89C51的自動溫度測量報警系統(tǒng)設(shè)計

　　目前，無論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是在科研實驗中通過對溫度測量來進(jìn)行自動控制的設(shè)備越來越普及，應(yīng)用場合也越來越多。隨之而來的問題是，如何能夠測得精確的溫度以保證自動控制設(shè)備能夠正確地發(fā)出控制指令來控制生產(chǎn)過程。另一方面，如果溫度過高可能會對一些設(shè)備中的一些半導(dǎo)體元器件造成損壞。因此，對于自動高溫報警的需求也在逐漸增加。本文基于以上方面的考慮，研究并設(shè)計了一種基于單片機(jī)的自動溫度測量與報警系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　盡管目前市場上單片機(jī)的品種多樣，功能也越來越多，但是受成本約束，性能優(yōu)良的8位單片機(jī)仍然是工業(yè)檢測與控制應(yīng)用領(lǐng)域的首選。

　　本系統(tǒng)就是以ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)為中心，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7812對溫度傳感器的輸出電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過編程分析處理的結(jié)果，最后決定是否報警。下面分別介紹各個硬件功能模塊的設(shè)計。

　　1.1 溫度傳感器設(shè)計

　　溫度傳感器是感知外部環(huán)境中溫度變化的重要元件，它是外界與本系統(tǒng)的接口。它將外界溫度的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，這樣通過對電壓的處理與分析就可以間接地測量出外界溫度。本系統(tǒng)采用的溫度傳感器為LM35，該溫度傳感器由美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，在常溫下，不需要額外的校正處理就可以到達(dá)0.25℃的準(zhǔn)確率。其輸出電壓與攝氏溫度成線性關(guān)系，并且這種關(guān)系可以表示為：

　　式中，Vo為傳感器的輸出電壓，單位V，T是外界環(huán)境中的溫度，單位℃。由于LM35能夠測量的最高溫度是150℃，由式(1)可得其最大輸出電壓為1.5 V。為了能夠與AD7812的輸入進(jìn)行匹配，故需要對傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大，放大的倍數(shù)約為3.33倍。可采用集成運放連接成同向放大器來實現(xiàn)電壓放大的功能。經(jīng)過放大后的電壓約為5 V，恰好能夠與模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的輸入相匹配。該部分電路設(shè)計如圖1所示。

　　1.2 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計

　　經(jīng)過溫度傳感器轉(zhuǎn)換后的輸出電壓值不能直接送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，還必須在它們之間增加A/D轉(zhuǎn)換裝置。本文中選擇AD7812作為A/D轉(zhuǎn)換器。AD7812是由Analog Devices公司生產(chǎn)的一種串行接口的10位8通道A/D轉(zhuǎn)換器。與一般的并行接口A/D轉(zhuǎn)換器相比，它的優(yōu)點在于能夠節(jié)省處理器的引腳資源。節(jié)省下來的引腳資源可以進(jìn)一步的對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，以使其功能更加強(qiáng)大。在AD7812內(nèi)部有8路模擬開關(guān)可以采集8路模擬信號，這里只需要將經(jīng)放大的傳感器輸出信號輸入到其中任意一路即可，為了簡便起見，就取其中的第1路模擬開關(guān)作為輸入信號的通道。由于 AD7812內(nèi)部具有轉(zhuǎn)換時鐘源，因而不需要外部提供時鐘源。單片機(jī)只需要通過它的串行時鐘輸入、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、轉(zhuǎn)換輸入4根引腳就可以對其進(jìn)行控制。該部分電路設(shè)計如圖2所示。

　　1.3 單片機(jī)處理器電路設(shè)計

　　AT89C系列單片機(jī)是一款低電壓，高性價比8位單片機(jī)。與MCS-51單片機(jī)相比，它有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫入更加方便;第二，推出了更小尺寸的芯片，使電路的尺寸更小。

　　AT89C51是該系列中一種帶4 KB容量可編程可擦除只讀存儲器和128字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)的高性能8位單片機(jī)。它采用ATMEL的高密度非易失存儲器制造技術(shù)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳兼容。總之，ATMEL的AT89C51單片機(jī)為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種高性價比的實現(xiàn)方案。

　　AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4 K字節(jié)的Flash閃存存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，2個16位定時/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，1個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。在本文中該中央處理電路如圖3所示。

　　1.4 異常情況報警電路設(shè)計

　　報警電路的作用是在出現(xiàn)異常情況時及時地提醒工作人員盡快采取措施，減少危險，避免災(zāi)難性后果的出現(xiàn)。因此，在設(shè)計報警電路時，應(yīng)該讓它的報警行為能夠迅速被人察覺，以進(jìn)一步采取相應(yīng)措施，避免或減少危害帶來的損失?，F(xiàn)代科學(xué)研究證明，通過刺激人的視覺與聽覺能夠較好地達(dá)到報警的目的。并且，閃爍的燈光與斷續(xù)的聲響最能夠引起人們的注意。基于上面的這種考慮，在設(shè)計中使用了74LS0 0、74LS04等集成門電路芯片組成的脈沖信號發(fā)生器來控制聲音的斷續(xù)和燈光的亮滅。